установка формирования изображения со всех направлений

Формула изобретения

1. Установка формирования изображения со всех направлений для восприятия изображения, по существу, полусферической сцены из единственной точки наблюдения, содержащая: (а) усеченный выпуклый, по существу, параболоидный отражатель, установленный для ортографического отражения изображения, указанной, по существу, полусферической сцены, при этом указанный параболоидный отражатель имеет фокальную точку, совпадающую с указанной единственной точкой наблюдения; и (b) датчик изображения, установленный для приема указанного ортографического отражения указанного изображения.

2. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 1, в которой указанный датчик изображения содержит датчик изображения на основе прибора с зарядовой связью.

3. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 1, в которой указанный датчик изображения содержит фотопленку.

4. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 1, в которой указанный датчик изображения содержит видеокамеру.

5. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 1, в которой указанный отражатель содержит, по существу, параболоидное зеркало, имеющее поверхность, которая, по существу, удовлетворяет уравнению, выраженному в цилиндрических координатах: при этом Z - ось вращения указанной поверхности, r -радиальная координата и h - постоянная величина.

6. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 1, в которой указанный отражатель имеет ось вращения и представляет собой зеркало, усеченное в плоскости, которая, по существу, перпендикулярна к указанной оси вращения и которая включает в себя указанную фокальную точку указанного отражателя.

7. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 1, в которой указанный датчик изображения расположен на оси вращения указанного отражателя.

8. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 1, дополнительно содержащая прозрачный держатель, соединяющий указанный отражатель с указанным датчиком изображения для сохранения их относительных положений.

9. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 1, в которой указанный датчик изображения создает сигнал изображения, представляющий указанное ортографически отраженное изображение, дополнительно содержащая устройство обработки сигнала изображения, связанное с указанным датчиком изображения, для преобразования указанного сигнала изображения в данные сигнала изображения и для отображения указанного сигнала изображения в системе прямоугольных координат.

10. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 9, в которой указанное устройство обработки сигнала изображения дополнительно включает в себя интерполяционное средство для получения интерполированных данных изображения, при помощи которого указанные интерполированные данные изображения и указанные данные сигнала изображения объединяются для формирования цифрового изображения.

11. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 10, в которой указанное устройство обработки изображения дополнительно включает в себя средство для увеличения предварительно выбранного участка указанного цифрового изображения, чтобы тем самым образовать укрупненное изображение указанного предварительно выбранного участка исходя из заранее определенного фокусного расстояния.

12. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 1, дополнительно содержащая, по меньшей мере, одну линзу, оптически связывающую указанный датчик изображения и указанный отражатель и расположенную между указанным датчиком изображения и указанным отражателем.

13. Установка формирования изображения по п. 12, в которой одна из указанных линз в количестве, по меньшей мере, одной представляет собой телецентрическую линзу.

14. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 12, дополнительно содержащая телецентрическую диафрагму, оптически связывающую указанный датчик изображения и указанный отражатель и расположенную между указанным датчиком изображения и указанным отражателем.

15. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 1, сверх того содержащая дополнительный усеченный выпуклый, по существу, параболоидный отражатель, установленный для ортографического отражения дополнительной полусферической сцены исходя из указанной единственной точки наблюдения, при этом указанная полусферическая сцена и указанная дополнительная сцена являются дополняющими друг друга, вследствие чего их сочетание представляет собой, по существу, сферическую сцену, и дополнительный датчик изображения, установленный для приема указанного ортографического отражения указанного изображения указанной дополнительной полусферической сцены.

16. Установка формирования изображения со всех направлений по п. 15, в которой указанный отражатель и указанный дополнительный отражатель расположены задними сторонами друг к другу, имея общую оптическую ось и общую фокальную точку, и в которой каждый из указанных отражателей содержит зеркало, усеченное в плоскости, которая, по существу, перпендикулярна к указанной оптической оси и которая включает в себя указанную общую фокальную точку.

17. Установка всенаправленного проецирования изображения для проецирования изображения, представляющего, по существу, полусферическую сцену, видимую из единственной точки наблюдения, содержащая: (а) средство для проецирования указанного изображения в виде коллимированного пучка света, модулированного указанным изображением, и (b) усеченный выпуклый, по существу, параболоидный отражатель, установленный для ортографического отражения указанного коллимированного пучка, модулированного указанным изображением, чтобы тем самым спроецировать указанную, по существу, полусферическую сцену.

18. Установка всенаправленного проецирования изображения по п. 17, в которой указанное средство для проецирования указанного изображения представляет собой прозрачный носитель, несущий изображение указанной, по существу, полусферической сцены, и источник коллимированного света, при этом указанный носитель расположен между указанным источником коллимированного света и указанным отражателем.

19. Установка всенаправленного проецирования изображения по п. 18, в которой указанный прозрачный носитель выполнен в виде фототранспаранта.

20. Установка всенаправленного проецирования изображения по п. 18, в которой указанный прозрачный носитель выполнен в виде жидкокристаллического индикатора.

21. Установка всенаправленного проецирования изображения по п. 17, в которой указанное средство для проецирования указанного изображения представляет собой компьютер и видеопроектор.

22. Установка всенаправленного проецирования изображения по п. 17, в которой указанный отражатель представляет собой, по существу, параболоидное зеркало, имеющее поверхность, которая, по существу, удовлетворяет уравнению, выраженному в цилиндрических координатах

при этом z - ось вращения указанной поверхности, r - радиальная координата и h - постоянная величина.

23. Установка всенаправленного проецирования изображения по п. 17, в которой указанный отражатель имеет ось вращения и фокальную точку и представляет собой зеркало, усеченное в плоскости, которая, по существу, перпендикулярна к указанной оси вращения и которая включает в себя указанную фокальную точку указанного отражателя.

24. Установка всенаправленного проецирования изображения по п. 17, сверх того содержащая средство для проецирования дополнительного изображения в виде дополнительного коллимированного пучка света, модулированного указанным дополнительным изображением, при этом указанное дополнительное изображение представляет дополнительную, по существу, полусферическую сцену, видимую из единственной точки наблюдения, указанная полусферическая сцена и указанная дополнительная полусферическая сцена являются дополняющими друг друга, вследствие чего их сочетание представляет собой, по существу, сферическую сцену, и дополнительный усеченный выпуклый, по существу, параболоидный отражатель, установленный для ортографического отражения указанного дополнительного коллимированного пучка света, модулированного указанным дополнительным изображением, чтобы тем самым спроецировать указанную дополнительную, по существу, полусферическую сцену.

25. Установка всенаправленного проецирования изображения по п. 24, в которой указанный отражатель и указанный дополнительный отражатель расположены задними сторонами друг к другу, имея общую ось вращения и общую фокальную точку, и в которой каждый из указанных отражателей содержит зеркало, усеченное в плоскости, которая, по существу, перпендикулярна к указанной общей оси вращения и которая включает в себя указанную общую фокальную точку.

26. Способ формирования изображения со всех направлений для восприятия изображения, по существу, полусферической сцены из единственной точки наблюдения, содержащий стадии, на которых (а) обеспечивают ортографическое отражение изображения указанной, по существу, полусферической сцены на, по существу, параболоидной отражающей поверхности, такой, что указанная единственная точка наблюдения совпадает с фокальной точкой указанной отражающей поверхности, и (b) обеспечивают восприятие указанного ортографически отраженного изображения.

27. Способ по п. 26, в котором стадия (b) включает в себя восприятие указанного, по существу, ортографически отраженного изображения с места, находящегося на оси вращения указанного отражателя.

28. Способ по п. 27, дополнительно содержащий стадии, на которых создают сигнал изображения, который представляет указанное ортографически отраженное изображение, преобразуют указанный сигнал изображения в данные сигнала изображения и отображают указанные данные сигнала изображения в системе прямоугольных координат.

29. Способ по п. 28, дополнительно содержащий стадии, на которых интерполируют указанные данные сигнала изображения для определения приближенных значений для недостающих данных изображения и формируют цифровое изображение из указанных отображенных данных изображения и из указанных интерполированных данных изображения.

30. Способ по п. 29, дополнительно содержащий стадии, на которых увеличивают предварительно выбранный участок указанного цифрового изображения, чтобы тем самым получить укрупненное изображение указанного предварительно выбранного участка исходя из заранее определенного фокусного расстояния, интерполируют указанные данные изображения для определения приближенных значений для недостающих данных изображения и формируют цифровое изображение из указанных отображенных данных изображения и из указанных интерполированных данных изображения.

31. Способ по п. 27, дополнительно содержащий стадии, на которых обеспечивают ортографическое отражение дополнительного изображения дополнительной, по существу, полусферической сцены и восприятие указанного дополнительного ортографически отраженного изображения.

32. Способ проецирования изображения, представляющего, по существу, полусферическую сцену, видимую из единственной точки наблюдения, содержащий стадии, на которых (а) проецируют указанное изображение в виде коллимированного пучка света, модулированного указанным изображением, и (b) обеспечивают ортографическое отражение указанного коллимированного пучка света на, по существу, параболоидной отражающей поверхности такой, что указанная единственная точка наблюдения указанного изображения совпадает с фокальной точкой указанной отражающей поверхности.

33. Способ по п. 32, дополнительно содержащий стадии, на которых проецируют в виде дополнительного коллимированного пучка света дополнительного изображения, представляющего дополнительную, по существу, полусферическую сцену, видимую из единственной точки наблюдения, и обеспечивают ортографическое отражение указанного дополнительного коллимированного пучка света для восстановления указанной дополнительной, по существу, полусферической сцены.

34. Способ по п. 32, в котором стадия проецирования включает в себя проецирование коллимированного пучка света, модулированного указанным изображением, через фрагмент фототранспаранта, несущего указанное изображение.

35. Способ по п. 32, в котором стадия проецирования включает в себя проецирование коллимированного пучка света через жидкокристаллический индикатор.

Описание изобретения к патенту

Правительство США имеет определенные права на это изобретение в соответствии с условиями решения Национального научного фонда поддержки молодых исследователей и гранта регистрационный номер 00014-95-1-0601 Министерства обороны/Комитета ядерных исследований в поддержку полезных для обороны исследований.

Предпосылки создания изобретения

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к всенаправленному восприятию и проецированию изображения относительно единственной точки наблюдения, а более конкретно - к такому восприятию и проецированию информации, когда используется усеченный выпуклый, по существу, параболоидный отражатель.

2. Рассмотрение уровня техники

Во многих областях применения, таких как наблюдение, проведение телеконференций, дистанционное восприятие, фотограмметрия, сбор данных о модели, виртуальная реальность, компьютерная графика, машинное восприятие и робототехника, желательно, чтобы система формирования изображения имела большое поле зрения с целью обеспечения возможности получения настолько большого количества информации об окружении, насколько это возможно.

Традиционные системы формирования изображения имеют в своем составе камеру с объективом, который обеспечивает перспективное проецирование изображения. Однако камера даже с очень широкоугольным объективом имеет лишь ограниченное поле зрения (например, не перекрывает всю полусферу). Это ограниченное поле зрения можно расширить путем наклона и панорамирования всей системы формирования изображения относительно центра проекции. Одну такую систему описал Чен в статье "Быстрая виртуальная реальность - основанный на анализе изображений способ для навигации в виртуальной среде", Proc. of SIGGRAPH 95, (8): 29-38, August (1995). МакМиллан и Бишоп в статье "Полностью оптическое моделирование: Система визуализации на основе анализа изображений". Computer Graphics: Proc. of SIGGRAPH, August 1995, с. 39-46, также описали традиционную систему с панорамированием и наклоном. Однако система этого вида имеет два серьезных недостатка, при этом одним очевидным недостатком является то, что устройство имеет критические подвижные детали, а вторым - значительное количество времени, необходимого для выполнения полного поворота с целью обзора окружающего пространства. Это временное ограничение делает такое устройство непригодным для использования в реальном масштабе времени.

Другой способ увеличения поля зрения системы формирования изображения заключается в использовании объектива под названием "рыбий глаз", такого, какой описали Холл и другие в статье "Всенаправленный обзор с использованием объектива "рыбий глаз", SPIE, vol. 728: Optics, Illumination and Image Sensing for Machine Vision (1986), с. 250. Поскольку объектив "рыбий глаз" имеет очень короткое фокусное расстояние, поле зрения может быть расширено до полусферы. Однако использование такого объектива в системе формирования изображения представляется проблематичным, поскольку он существенно больше и намного сложнее, чем обычные объективы. Кроме того, трудно создать объектив "рыбий глаз" с фиксированной точкой наблюдения для всех точек рассматриваемой сцены. Технические решения в патенте США 5187667 (Циммерман) и в патенте США 5359363 (Кубан и другие) также ориентированы на использование объективов "рыбий глаз" с целью замены механизмов панорамирования и наклона и соответственно им присущи те же самые недостатки.

В других устройствах из уровня техники для увеличения поля зрения использованы отражающие поверхности. Одно такое устройство из уровня техники раскрыл Налва в своей статье "Прибор для действительно всенаправленного наблюдения", АТТ Bell Laboratories Technical Memorandum, BL0115500-960115-01, Jan. 1996. Налва раскрыл использование многочисленных плоских отражающих поверхностей в сочетании с многочисленными камерами на приборах с зарядовой связью (ПЗС) для получения панорамного изображения в угле 360^o из зон полусферической сцены с угловым полем по вертикали 50^o. Конкретно, в устройстве, которое предложил Налва, четыре плоских зеркала расположены с образованием пирамиды, при этом одна камера расположена над каждой из четырех плоских отражающих сторон, а каждая камера позволяет просматривать несколько больше чем 90^o на 50^o из полусферической сцены. Эта система имеет серьезный недостаток, заключающийся в необходимости использования многочисленных датчиков для охвата полусферического изображения. В дополнение к этому для этой системы характерны присущие ей проблемы, связанные с появлением искажений на "стыках", когда отдельные изображения объединяются с целью обеспечения обзора в полном угле 360^o.

В сочетании с датчиками изображения также используют криволинейные отражающие поверхности. Однако из уровня техники хорошо известно, что для перспективной проекции единственной отражающей поверхностью, которая будет создавать изображение пространства, видимое из единственной точки наблюдения, является плоскость, которая проходит через среднюю точку отрезка прямой между объективом и точкой наблюдения и имеет нормаль в направлении отрезка прямой. Поэтому для перспективной проекции любая криволинейная поверхность неизбежно будет иметь многочисленные точки наблюдения.

В статье Яги и других "Оценочная эффективность формирования отображения с помощью вертикальных кромок отслеживания в последовательности изображений со всех направлений", IEEE International Conference on Robotics and Automation, June 1995, с. 2334, и в статье Яги и других "Основанная на отображении навигация для мобильного робота с использованием всенаправленного датчика изображения, КОПИС", IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. II, 5, Oct. 1995, раскрыт датчик КОПИС с коническим проецированием, в котором использована коническая отражающая поверхность для сбора изображений из окружающего пространства и способы обработки информации, необходимые для управления перемещением мобильного робота. Хотя датчик КОПИС позволяет достичь угла зрения 360^o, он не является действительно всенаправленным датчиком изображения, поскольку поле зрения ограничено углом при вершине конического зеркала и углом зрения объектива камеры. Более того, как обсуждалось выше, отражение от криволинейной поверхности приводит к возникновению многочисленных точек наблюдения, при этом геометрическим местом точек наблюдения для конической поверхности является окружность. Многочисленные точки наблюдения приводят к значительному искажению и требуют сложной обработки и преобразования изображения, чтобы восстановить сцену, видимую из единственной точки наблюдения.

Ямазава и другие в статье "Обнаружение препятствий посредством гипервсенаправленного зрения с использованием всенаправленного датчика изображения", IEEE International Conference on Robotics and Automation, Oct. 1995, с. 1062, раскрыли целенаправленное усовершенствование системы с датчиком КОПИС, которое заключается в использовании гиперболической отражающей поверхности вместо конической поверхности. Как рассмотрено здесь, лучи света, которые отражаются от гиперболической поверхности независимо от того, где точка их начала, все будут сходиться в одной точке, тем самым обеспечивая перспективное зрение. Хотя использование гиперболического зеркала является выгодным в том, что оно обеспечивает возможность восприятия полного перспективного изображения, поскольку лучи света, которые образуют отраженное изображение, сходятся в фокальной точке отражателя, но расположение датчика относительно отражающей поверхности является критическим, и любое возмущение будет ухудшать качество изображения. Кроме того, при использовании перспективно-проекционной модели вследствие ее сущности необходимо, чтобы по мере увеличения расстояния между датчиком и зеркалом поперечное сечение зеркала возрастало. Поэтому практическими соображениями продиктовано, что для сохранения умеренного размера зеркала его следует помещать близко к датчику. Это, в свою очередь, приводит к сложностям, связанным с проектированием оптики датчика изображения. В дополнение к этому отображение считанного изображения к удобной системе координат требует сложной калибровки из-за природы сходящегося изображения.

Вышеописанные устройства из уровня техники не являются пригодными для создания установки формирования изображения действительно со всех направлений, которая обеспечивает возможность восприятия, по существу, полусферической сцены из единственной точки наблюдения. Эти устройства также не являются пригодными для создания системы формирования изображения, в которой можно рассматривать любой выбранный участок, по существу, полусферической сцены или можно панорамировать сцену без необходимости реконструкции кадра или сложного преобразования кадра.

Краткое описание изобретения

Недостатки уровня техники, рассмотренные выше, в значительной мере устраняются посредством настоящего изобретения, которое в одном аспекте представляет собой установку формирования изображения со всех направлений, имеющую усеченный, по существу, параболоидный отражатель, установленный для ортографического отражения изображения, по существу, полусферической сцены, при этом фокальная точка рефлектора совпадает с единственной точкой наблюдения. Датчик изображения установлен для приема ортографического отражения изображения.

В одном варианте осуществления изобретения поверхность отражателя, по существу, удовлетворяет уравнению



выраженному в цилиндрических координатах, где r - радиальная координата, z - ось вращения и h - постоянная величина. Поскольку уравнение характеризует симметричную поверхность вращения, форма поверхности не зависит от угловой координаты . Отражатель усечен в плоскости, которая, по существу, перпендикулярна оси z и которая включает в себя фокальную точку параболоидного отражателя. Предпочтительно, датчик изображения расположен на оптической оси, которая совпадает с осью z отражателя.

В примере установки датчик изображения является электронным и формирует сигнал изображения, представляющий ортографически отраженное изображение. Этот сигнал изображения преобразуется в цифровую форму, после чего передается в устройство обработки изображения. Устройство обработки изображения с достижением преимущества выполнено с обеспечением возможности просмотра любого участка полусферической сцены, увеличения участков сцены и панорамирования сцены на основании предварительно определенной точки наблюдения.

Другой иллюстративный вариант осуществления изобретения включает в себя дополнительный усеченный выпуклый, по существу, параболоидный отражатель, установленный для ортографического отражения изображения дополнительной полусферической сцены исходя из единственной точки наблюдения. Полусферическая сцена и дополнительная полусферическая сцена являются дополняющими друг друга, вследствие чего их сочетание представляет собой сферическую сцену. Дополнительный датчик изображения установлен для приема изображения, которое ортографически отражено от дополнительного отражателя.

В этом варианте осуществления отражатель и дополнительный отражатель расположены задними сторонами друг к другу и имеют общую ось z, совмещенную с оптической осью, и общую фокальную точку. Каждый отражатель усечен в плоскости, которая, по существу, перпендикулярна общей оси z и которая включает в себя общую фокальную точку.

Другой аспект настоящего изобретения представляет собой установку всенаправленного проецирования изображения, предназначенную для проецирования изображения, представляющего, по существу, полусферическую сцену, видимую из единственной точки наблюдения. Установка всенаправленного проецирования изображения включает в себя источник коллимированного света позади прозрачного носителя с изображением полусферической сцены с тем, чтобы спроецировать коллимированный пучок света, модулированный (пространственно и, возможно, во времени) изображением, и усеченный выпуклый, по существу, параболоидный отражатель, установленный для ортографического отражения коллимированного пучка света, модулированного изображением, чтобы тем самым спроецировать, по существу, полусферическую сцену.

Другой иллюстративный вариант осуществления установки всенаправленного проецирования изображения включает в себя дополнительные источник света и несущий изображение носитель с тем, чтобы спроецировать другой коллимированный пучок света, модулированного другим изображением, представляющим дополнительную, по существу, полусферическую сцену, видимую из единственной точки наблюдения. Полу сферическая сцена и дополнительная полусферическая сцена являются дополняющими друг друга, вследствие чего их сочетание представляет собой, по существу, сферическую сцену. Дополнительный усеченный выпуклый, по существу, параболоидный отражатель установлен для ортографического отражения дополнительного коллимированного пучка света, чтобы тем самым спроецировать дополнительную полусферическую сцену. Отражатель и дополнительный отражатель расположены задними сторонами друг к другу и имеют общую оптическую ось и общую фокальную точку. Каждый отражатель усечен в плоскости, которая, по существу, перпендикулярна оптической оси и которая включает в себя фокальную точку.

В настоящем изобретении также предусмотрен способ для восприятия изображения, по существу, полусферической сцены из единственной точки наблюдения, который в иллюстративном варианте осуществления содержит стадии (а) ортографического отражения изображения, по существу, полусферической сцены на, по существу, параболоидном отражателе, таком, что единственная точка наблюдения совпадает с фокальной точкой отражающей поверхности, и (b) восприятия ортографически отраженного изображения. Стадия (b) может включать в себя восприятие, по существу, ортографически отраженного изображения с места, находящегося на оптической оси отражателя.

В другой иллюстративный вариант осуществления способа формирования изображения включены дополнительные стадии создания сигнала изображения, который представляет ортографически отраженное изображение, преобразования сигнала изображения в данные изображения, отображения данных изображения в прямоугольной системе координат, интерполяции данных изображения и формирования цифрового изображения из отображенных данных изображения и из интерполированных данных изображения. Если необходимо, после задания направления просмотра, фокусного расстояния и размера изображения выбранный участок изображения можно увеличить до выполнения стадии интерполяции.

Наконец, в еще один иллюстративный вариант осуществления способа формирования изображения включены дополнительные стадии ортографического отражения дополнительного изображения, по существу, полусферической сцены на дополнительной, по существу, параболоидной отражающей поверхности, такой, что единственная точка наблюдения дополнительной сцены совпадает с фокальной точкой дополнительной отражающей поверхности, и восприятия ортографически отраженного изображения.

В настоящем изобретении также предусмотрен способ для проецирования изображения, представляющего, по существу, полусферическую сцену, видимую из единственной точки наблюдения, при этом иллюстративный вариант осуществления включает в себя стадии (а) проецирования коллимированного пучка света, модулированного (пространственно и, возможно, во времени) на, по существу, параболоидную отражающую поверхность, и (b) ортографического отражения коллимированного пучка света, модулированного изображением, на, по существу, параболоидной отражающей поверхности, такой, что единственная точка наблюдения изображения совпадает с фокальной точкой ортографически отражающей поверхности.

Другой иллюстративный вариант осуществления способа проецирования изображения включает в себя стадии проецирования дополнительного коллимированного пучка света, модулированного дополнительным изображением, представляющим дополнительную, по существу, полусферическую сцену, видимую из единственной точки наблюдения, и ортографического отражения дополнительного коллимированного пучка света, модулированного дополнительным изображением, с целью проецирования дополнительной полусферической сцены, которая является дополняющей по отношению к другой полусферической сцене.

Краткое описание чертежей

Теперь иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны подробно со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1a - вид сбоку иллюстративного варианта осуществления установки формирования изображения со всех направлений;

фиг. 1b - вид сбоку альтернативного варианта осуществления, в котором параболоидный отражатель соединен с датчиком изображения с помощью прозрачного держателя;

фиг. 2 - изометрический вид параболоидного отражателя, закрепленного на опорной плите;

фиг. 3 - вид, частично в изометрии, параболоидного отражателя, отображенного в системе цилиндрических координат;

фиг.4 - геометрическое представление ортографического отражения от криволинейной отражающей поверхности;

фиг. 5 - пример ортографического отражения от, по существу, параболоидного отражателя к датчику изображения; фиг.6 - иллюстрация того, каким образом любой выбранный участок полусферической сцены можно увидеть из единственной точки наблюдения;

фиг.7 - вид сбоку установки формирования изображения со всех направлений с двумя обращенными задними сторонами друг к другу, по существу, параболоидными отражателями и с двумя датчиками изображения;

фиг.8 - поперечное сечение двух, по существу, параболоидных отражателей, расположенных задними сторонами друг к другу и имеющих общую ось вращения и общую фокальную точку;

фиг. 9а - вид сбоку иллюстративного варианта осуществления установки всенаправленного проецирования изображения;

фиг.9b - пример устройства для проецирования коллимированного пучка света, модулированного изображением;

фиг. 10 - вид сбоку установки всенаправленного проецирования изображения с обращенными задними сторонами друг к другу, по существу, параболоидными отражателями, с двумя источниками света и с двумя прозрачными несущими изображение носителями для проецирования двух коллимированных пучков света, модулированного изображениями, соответствующими двум, по существу, полусферическим сценам, по направлению к соответствующим отражателям;

фиг. 11 - вид, частично в изометрии, параболоидного отражателя установки всенаправленного проецирования изображения, отображенного в системе цилиндрических координат;

фиг. 12 - рабочая диаграмма иллюстративного варианта осуществления способа для восприятия и обработки изображения, по существу, полусферической сцены из единственной точки наблюдения; и

фиг. 13 - рабочая диаграмма способа для проецирования изображения, представляющего, по существу, полусферическую сцену, видимую из единственной точки наблюдения.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1а показана установка 100 формирования изображения со всех направлений в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения. Выпуклый параболоидный отражатель 135, который закреплен на опорной плите 140, обеспечивает возможность ортографического отражения изображения, по существу, полусферической сцены 130. Датчик 110 изображения, к примеру имеющаяся в продаже цветная телевизионная передающая камера 111 на ПЗС фирмы Сони, снабженная увеличительной линзой 112 и телецентрической линзой или телецентрической диафрагмой 113, установлен с целью приема ортографического отражения изображения. Телецентрическая линза 113 выполняет функцию фильтра для всех лучей света, которые не являются перпендикулярными плоскости линзы, т.е. для фоновой засветки, которая не образует части ортографического отражения полусферической сцены.

Хотя приводимое здесь описание относится к излучению в видимой области спектра, настоящее изобретение равным образом применимо к другим формам электромагнитного излучения, к таким как ультрафиолетовое излучение или инфракрасное излучение.

В альтернативном иллюстративном варианте осуществления установки 100 формирования изображения в соответствии с изобретением, показанном на фиг. 1b, параболоидный отражатель может быть связан с датчиком изображения с помощью прозрачного держателя 136, такого как отрезок светлой трубки.

Снова обратимся к фиг. 1а, где телевизионная передающая камера 110 формирует аналоговый видеосигнал, представляющий ортографическое отраженное изображение, который передается по кабелю 150. Видеосигнал преобразуется в цифровой сигнал цифровым преобразователем 120, который имеется в продаже как аналого-цифровой преобразователь видеосигнала НТСЦ.

После этого цифровой сигнал передается по кабелю 155 к компьютеру 125 общего назначения, к такому как рабочая станция Ди-И-Си Альфа 3000/600. Как в дальнейшем будет изложено подробно, компьютер 125 программируют таким образом, чтобы обеспечить пользователю возможность просматривать любой нужный участок полусферической сцены, увеличивать изображение на выбранном участке сцены или панорамировать сцену любым желаемым образом.

Датчиком 110 изображения может быть просто фотокамера или кинокамера, в которых используется обычная фотопленка. Датчиком 110 изображения может также быть камкордер или телевизионная передающая камера 116 с цифровым выходным видеосигналом, который можно прямо подавать на компьютер 125 без необходимости иметь аналого-цифровой преобразователь 120.

На фиг. 2 показано изометрическое изображение параболоидного отражателя 135, который выступает из основания 140, относительно которого он образован. Вся поверхность основания 140, включая отражатель 135, покрыта тонким слоем 145 хорошо отражающего металла, такого как серебро.

На фиг. 3 показана более подробно предпочтительная геометрия параболоидного отражателя 135, а также процесса ортографического отражения изображения, по существу, полусферической сцены 130 на датчик 110 изображения. Отражатель 135 из фиг. 3 определен в цилиндрических координатах, r, и z, как, по существу, удовлетворяющий уравнению



где z - ось вращения, r - радиальная координата и h - постоянная величина. Ось z совпадает с оптической осью установки формирования изображения, а фокальная точка 315 параболоида, заданная уравнением (1), совпадает с началом системы координат. Отражатель 135 из фиг. 3 усечен в плоскости , которая, по существу, перпендикулярна оси z 310 и которая имеет фокальную точку 315 на своей параболоидной поверхности.

Все входящие лучи 305, которые тем или иным образом проходят через фокальную точку 315, ортографически отражаются к датчику 110 изображения посредством отражающей параболоидной поверхности. Поэтому фокальная точка 315 совпадает с единственной точкой наблюдения, из которой видна, по существу, полусферическая сцена 130. Датчик 110 изображения расположен на оптической оси 310 системы формирования изображения, а его светочувствительная поверхность расположена перпендикулярно оптической оси.

Использование ортографического отражения с целью обеспечения возможности просмотра, по существу, полусферической сцены из единственной точки наблюдения является выгодной особенностью настоящего изобретения, поскольку, как хорошо известно в данной области техники, отражение от криволинейной поверхности, создающее перспективную проекцию, приводит к образованию многих точек наблюдения.

То, что ортографическое отражение обеспечивает возможность просмотра из единственной точки наблюдения, можно показать при обращении к фиг.4. На фиг. 4 z и r - перпендикулярные цилиндрические координаты для заданного значения , угловой координаты. Угол входящего луча 405 относительно оси составляет . Входящий луч 405 ортографически отражается посредством отражающей поверхности 415 в виде уходящего луча 410.

Чтобы иметь единственную точку 420 наблюдения, входящий луч должен удовлетворять соотношению

tg() = z/r, (3)

а для достижения ортографического отражения все лучи должны отражаться под углом

= /2, (4)

где - угол между уходящим лучом 410 и осью. Чтобы эти два ограничения удовлетворялись и для того, чтобы угол падения был равен углу отражения, очевидно, что угол между отраженным лучом 410 и направлением нормали от поверхности в точке отражения должен быть равен



который также можно выразить как



Наконец, тангенс угла наклона отражающей поверхности 415 в плоскости в точке отражения выражается как



Подстановкой (6) и (4) в (5) получаем



Квадратичное выражение уравнения (7) можно решить с получением двух решений для но чтобы исключить образование перекрытия самой отражающей поверхностью, наклон кривой в правом квадранте сделан отрицательным (т.е. поверхность является выпуклой). В результате



Если а=z/r, приведенное выше выражение преобразуется в



где h - постоянная интегрирования. Подстановкой z=rа в уравнение (9) получим уравнение (1).

Следовательно, существует кривая, которая при вращении вокруг оси z образует поверхность, дающую возможность просмотра ортографического отражения, по существу, полусферической сцены из одной точки наблюдения. Эта кривая является параболой, определенной уравнением (1), которая имеет единственную точку наблюдения, совпадающую с фокусом 420 параболы.

В дополнение к возможности просмотра, по существу, полусферической сцены из единственной точки наблюдения установка формирования изображения со всех направлений в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает возможность просмотра любого участка сцены, обеспечивает возможность увеличения на выбранном участке и обеспечивает возможность панорамирования сцены любым образом, причем все это относительно единственной точки наблюдения и без необходимости реконструкции изображения или сложного преобразования кадра.

На фиг. 5 показано, каким образом участок, по существу, полусферической сцены просматривается с помощью датчика изображения из единственной точки наблюдения. Усеченный выпуклый, по существу, параболоидный отражатель 135 отображен в прямоугольной системе координат. Оптическая ось 502 установки формирования изображения совпадает с осью z, а фокус 501, по существу, параболоидного отражателя 135 расположен в начале координат. Входящие лучи 505, 510 от участка сцены 300 при просмотре пересекают отражающую поверхность в точках 515 и 520, которые могут быть заданы их соответствующими координатами х и у. Точки 515 и 520 лежат на воображаемых радиальных линиях 516 и 521 соответственно, которые начинаются в точке наблюдения сцены, т.е. в фокусе 501 параболоидного отражателя. Поскольку эти лучи испытывают ортографическое отражение по направлению к датчику 110 изображения, который имеет плоскую светочувствительную поверхность, перпендикулярную оси z, спроецированные лучи будут пересекать светочувствительную поверхность при тех же самых соответствующих координатах х и у. Только координата z будет изменяться. Поэтому существует взаимно однозначное соответствие между координатами х-у точки пересечения с отражателем 135 и координатами х-у точки, в которой этот ортографически спроецированный луч пересекают плоскую светочувствительную поверхность датчика 110 изображения.

В предпочтительном варианте выполнения датчик 110 изображения представляет собой датчик изображения на основе плоского прибора с зарядовой связью (ПЗС), имеющего решетку светочувствительных элементов. Каждый элемент воспринимает интенсивность света на своем конкретном месте в решетке. Следовательно, с взаимно однозначным соответствием сигналы изображения, формируемые элементами ПЗС, которые охватывают конкретный диапазон координат х-у в решетке, представляют лучи, которые ортографически отражаются от отражающей поверхности 135 в точках в пределах того же самого диапазона координат х-у. Поэтому отображение изображения является простой задачей для специалистов в данной области техники.

С учетом взаимно однозначного соответствия, изложенного выше, на фиг. 6 отражен способ увеличения любого выбранного участка, по существу, полусферической сцены. Отражатель 135 расположен относительно ортогональных осей х, у и z таким же образом, как и на фиг. 5. Для увеличения при фокусном расстоянии f выбранного участка сцены, центрированного относительно точки 550 и имеющего заданный размер, только сигналы изображения элементов ПЗС, расположенных в том же самом диапазоне координат х-у, как и область отражающей поверхности, проецирующей выбранный участок, выбирают для усиления и просмотра.

Более конкретно, чтобы определить нужную интенсивность света для точки 570 на выбранном участке сцены, задают пропорциональный интенсивности света сигнал, формируемый элементом ПЗС, который расположен в точке 580. Как показано на фиг. 6, отрезок линии, проходящий между точкой 570 и фокальной точкой 551, пересекает отражатель 135 в точке 552. Интенсивность света в точке 570 устанавливают равной значению, которое соответствует заданному сигналу изображения, формируемому элементом ПЗС в точке 580, которая расположена на решетке так, что имеет координаты х-у, близкие к координатам х-у точки 552. Это же самое повторяют для каждого элемента ПЗС в пределах того же самого диапазона координат х-у, соответствующего области отражающей поверхности, проецирующей выбранный участок сцены. Как следствие, это приводит к ортографическому отражению и к взаимно однозначному соответствию, описанному выше, без необходимости осуществлять реконструкцию изображения или сложное преобразование кадра. Специалист в данной области техники может без труда написать программу для компьютера 125 общего назначения, необходимую для выполнения вышеуказанных стадий, чтобы обеспечить возможность просмотра любого участка полусферической сцены из единственной точки наблюдения, а также чтобы обеспечить возможность увеличения любого отдельного участка с целью образования укрупненного изображения этого участка. Кроме того, путем указания последовательных точек на отражателе полусферическую сцену можно панорамировать, как бы просматривая сцену из единственной точки наблюдения.

Легко понять, что в варианте осуществления, рассмотренном выше, при увеличении очень малых участков сцены число элементов ПЗС, предоставляющих информацию компьютеру 125, уменьшается, и, следовательно, зернистость просматриваемого изображения повышается. В предпочтительном варианте осуществления информация относительно точек в сцене, которые не соответствуют точно элементам ПЗС, аппроксимируется путем интерполяции. Соответствующая программа интерполяции, которую можно выполнить на компьютере 125, содержится в Приложении I к этому описанию. С помощью программы, приданной как Приложение I, считанное изображение со всех направлений преобразуется в обычное перспективное изображение, которое пригодно для индикации на компьютере 125. Программа требует от пользователя ввести имя, местоположение центра и радиус изображения со всех направлений, которое должно быть преобразовано. Программа также требует от пользователя ввести имя для образованного перспективного изображения, а также фокусное расстояние и размер перспективного изображения.

Поэтому вместо простого выбора сигнала изображения, формируемого ближайшим элементом ПЗС, для представления участков изображения, которые не соответствуют точно элементам ПЗС, изображение для таких участков сцены оценивают с помощью приложенной программы на основе средних значений сигналов изображения, формируемых элементами ПЗС, которые соответствуют соседним участкам сцены. Конечно, более сложные программы интерполяции, известные специалистам в данной области техники, к примеру те, которые основаны на полиномиальном или временном сопоставлении, можно использовать без отступления от объема изобретения, определенного приложенной формулой изобретения.

Как показано на фиг. 7, в дополнительном иллюстративном варианте осуществления установка формирования изображения со всех направлений содержит дополнительный, по существу, параболоидный отражатель 735. Дополнительный отражатель установлен для ортографического проецирования изображения дополнительной полусферической сцены 730, которая дополняет полусферическую сцену 130 таким образом, что вместе они составляют сферическую сцену. Дополнительный датчик 710 изображения установлен для приема изображения, ортографически спроецированного дополнительным отражателем 735.

Сигнал изображения, представляющий ортографическое отражение дополнительного отражателя 735, преобразуется в цифровой сигнал преобразователем 720 таким же образом, как это описано выше, и по кабелю 725 подается на тот же самый компьютер 125 общего назначения.

Как показано на фиг. 8, отражатели 135 и 735, расположенные задними сторонами друг к другу, имеют общую ось 810 вращения, которая также является оптической осью установки формирования изображения, и общую фокальную точку 805, и каждый отражатель усечен в плоскости , которая, по существу, перпендикулярна оси вращения 810 и которая включает в себя фокальную точку 805.

На фиг. 9а показан иллюстративный вариант осуществления установки всенаправленного проецирования изображения согласно настоящему изобретению, предназначенной для проецирования изображения, представляющего собой, по существу, полусферическую сцену, видимую из единственной точки наблюдения. Установка всенаправленного проецирования изображения содержит источник 910 коллимированного света, прозрачный носитель 920, несущий изображение, по существу, полусферической сцены. Прозрачным несущим изображение носителем может быть фототранспарант, образованный с помощью установки формирования изображения со всех направлений, рассмотренной выше, или прозрачный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), создающий неподвижное или движущееся покадровое изображение, по существу, полусферической сцены.

Источник света 910 испускает коллимированные лучи света 940, проходящие через прозрачный несущий изображение носитель 920, вследствие чего образуется коллимированный в пространстве (и, возможно, во времени) пучок 940 света, модулированный изображением прозрачного носителя 920. По существу, параболоидный отражатель 930, который в настоящем варианте осуществления является зеркалом, рассмотренный выше со ссылками на фиг. 2 и 3, установлен с целью отражения коллимированного несущего изображение и модулированного пучка 940 таким образом, что осуществляется проецирование, по существу, полусферической сцены.

В альтернативном иллюстративном варианте осуществления проекционной системы в соответствии с настоящим изобретением, показанном на фиг. 9b, источник коллимированного света и прозрачный несущий изображение носитель заменены видеопроекционной системой 960, управляемой компьютером 970 общего назначения. Видеопроекционная система 960 образует коллимированный пучок 940 света, который модулирован информацией, несущей необходимое изображение. С этой целью компьютер 970 управляет распределением интенсивности излучаемого проекционной системой 960 света 940.

Дополнительный иллюстративный вариант осуществления системы всенаправленного проецирования изображения согласно изобретению, показанный на фиг. 10, содержит дополнительный прозрачный несущий изображение носитель 1020, на котором имеется дополнительное изображение, представляющее собой дополнительную, по существу, полусферическую сцену, дополнительный источник 1010 коллимированного света и дополнительный, по существу, параболоидный отражатель 1030. По существу, полусферическая сцена и дополнительная, по существу, полусферическая сцена являются дополняющими друг друга, вследствие чего сочетание двух сцен представляет собой сферическую сцену.

Дополнительный, по существу, параболоидный отражатель 1030 установлен для ортографического отражения дополнительного коллимированного пучка света 1040 и тем самым для проецирования дополнительной полусферической сцены.

Два отражателя расположены задними сторонами друг к другу и также, как показано на фиг. 8, имеют общую ось вращения и общую фокальную точку. Каждый отражатель усечен в плоскости, которая является, по существу, перпендикулярной к общей оси вращения и которая включает в себя общую фокальную точку.

Обратимся к фиг. 12, на которой показана рабочая диаграмма 1200, отражающая способ восприятия изображения, по существу, полусферической или сферической сцены из единственной точки наблюдения в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения. Рабочая диаграмма 1200 показывает стадии, необходимые для восприятия полу сферической сцены из единственной точки наблюдения. В способе необходимо выполнить ортографическое отражение 1210, по существу, полусферической сцены и восприятие 1220 ортографически отраженного изображения.

Способ может также включать в себя стадии преобразования 1230 сигнала изображения в сигнал данных изображения, отображения 1240 данных изображения в прямоугольной системе координат, интерполяции 1260 данных изображения с целью получения приближенных значений для недостающих данных изображения и формирования 1270 цифрового изображения из отображенных данных изображения и из интерполированных данных изображения. До стадии интерполяции с достижением преимущества можно выполнить стадии задания 1245 направления просмотра, фокусного расстояния и размера изображения и задания 1250 увеличения в этой выбранной части данных изображения.

Наконец, на фиг. 13 показана рабочая диаграмма 1300 для способа проецирования изображения, представляющего собой, по существу, полусферическую сцену, видимую из единственной точки наблюдения, в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения. Способ включает в себя стадии проецирования 1310 коллимированного пучка света, модулированного изображением, и ортографическое отражение 1320 коллимированного пучка света на, по существу, параболоидной отражающей поверхности таким образом, чтобы единственная точка наблюдения изображения совпадала с фокальной точкой отражающей поверхности.

Способ может также включать в себя стадии проецирования 1330 в виде дополнительного коллимированного пучка света дополнительного изображения, которое относится к дополнительной, по существу, полусферической сцене, видимой из единственной точки наблюдения, и ортографического отражения 1340 дополнительного коллимированного пучка света с целью восстановления дополнительной, по существу, полусферической сцены.

Таким образом, согласно настоящему изобретению создана установка формирования изображения со всех направлений, предназначенная для восприятия изображения, по существу, полусферической сцены из единственной точки наблюдения, которая не имеет каких-либо движущихся деталей. В установке согласно изобретению ортографическое отражение использовано для того, чтобы улучшить качество изображения и обеспечить возможность увеличения любого участка сцены и панорамирования сцены без необходимости сложной реконструкции изображения или сложного преобразования кадра.

Согласно настоящему изобретению также создана установка всенаправленного проецирования изображения, которая обеспечивает возможность проецирования изображения, относящегося к, по существу, полусферической сцене, видимой из единственной точки наблюдения.

Приведенное выше описание является только иллюстрацией принципов изобретения. Другие варианты изобретения являются очевидными для специалистов в данной области техники, и предполагается, что объем изобретения ограничен только изложением приложенной формулы изобретения.